影响比面的因素油层物理模拟实验装置

A. 在探究“摩擦力的大小与什么因素有关”实验中，小华同学根据自己推箱子时，箱子越重，推起来越费力，提出

（1）小辉提出了“影响摩擦力大小的因素可能与接触面的粗糙程度有关”的猜想，探究滑动摩擦力跟接触面粗糙程度关系时，控制压力大小不变．采用乙丙两图．
（2）如表格数据得，小华实验得出：在接触面粗糙程度相同时，压力越大，摩擦力越大．
（3）实验过程中，弹簧测力计显示拉力大小，要使摩擦力等于拉力，摩擦力和拉力是一对平衡力，木块要进行匀速直线运动．
（4）探究摩擦力跟接触面积的关系时，只控制接触面粗糙程度不变，没有控制压力大小不变，实验结论是不科学的．
故答案为：（1）乙丙；（2）接触面粗糙程度相同时，压力越大，摩擦力越大；（3）匀速直线运动；摩擦力和拉力是平衡力；（4）没有控制压力大小不变．

B. 物理沉积模拟研究方法与步骤

对湖盆沉积砂体的形成与演变依据一定的科学准则对碎屑沉积砂体的形成与演变进行模拟是碎屑岩沉积学发展的重要边缘分支学科，也是研究碎屑沉积体系分布的一条重要途径。物理模拟研究就是将自然界真实的碎屑沉积体系从空间尺寸及时间尺度上都大大缩小，并抽取控制体系发展的主要因素，建立实验模型与原型之间应满足的对应量的相似关系。这种相似关系建立的基础乃是一些基本的物理定律。如质量、动量和能量守恒定律等。

1.物理模拟研究的基本步骤

现在看来，碎屑沉积模拟一般可分为物理模拟和数值模拟两个方面。物理模拟是数值模拟的基础，可以验证数值模拟的正确性；数值模拟反过来可以有效地指导物理模拟，使物理模拟具有一定的前瞻性。应当说，物理模拟与数值模拟相辅相成，对实际问题的解决可以起到相互促进的作用。

物理模拟是对自然界中的物理过程在室内进行模拟，其发展历史已逾百年，在水文工程及河流地貌学上应用较广，已经初步建立了一套理论基础和实验方法。至于开展碎屑沉积砂体形成过程及演变规律的物理模拟，还是近二十年的事情。应当承认，碎屑砂体沉积过程的物理模拟与水文工程的模拟是两类不同性质的模拟过程。水文工程的物理模拟是在现今条件确定的情况下，预测未来几十年内河道淤积演变对水文工程的影响，所涉及的时间跨度非常短暂；而碎屑砂体形成过程的物理模拟则是在沉积初始条件基本未知，依靠沉积结果反演沉积条件，从而逼近沉积过程的一种模拟。它所涉及的时间跨度是地质时代，一般在几千至几万年甚至几十万年的时段内，因而研究难度比较大。值得指出的是，形成一个碎屑砂体的时间与该砂体形成后所经历的更加漫长的成岩时间是两个概念。碎屑物理模拟所考虑的时间是碎屑沉积体系的形成时间。

物理模拟的关键是要解决模型与原型之间相似性的问题，也就是说，实验模型在多大程度上与原型具有可比性是成败的标准。为此物理模拟实验必须遵从一定的理论，这种理论可称之为相似理论。模型与原型之间必须遵守的相似理论包括几何相似、运动相似及动力相似。

碎屑物理模拟一般都在实验装置内进行，物理模拟的方法步骤可概括为如下步骤：

1）确定地质模型。所涉及的参数包括盆地的边界条件（大小、坡度、水深、构造运动强度、波浪、基准面的变化等）、流速场的条件（流量、流速、含砂量等）、入湖或海河流的规模及分布、沉积体系的类型、碎屑体的粒度组成等。

2）确定物理模型。由于自然界中形成沉积体系的控制因素较多，确定物理模型的关键是抓住主要矛盾，而忽略一些次要因素。好的物理模型应当反映碎屑沉积体系的主要方面。物理模型的主要内容是确定模型与原型的几何比例尺与时间比例尺、流场与粒级的匹配、活动底板运动特征以及模型实验的层次。

3）建立原型与模型之间对比标准。实验开始前应确定每个层次的实验进行到何种程度为止，是否进入下一个层次的模拟，所以确定合适的相似比十分重要。

4）明确所研究问题的性质。应当明确沉积学基础问题的研究可以假设其他因素是恒定的，而重点研究单一因素对沉积结果的影响，但实际问题的解决往往是复杂的。各种因素之间是相互制约的，因此必须综合考虑。一般应从沉积体系的范畴思考问题，而不能仅从某个单砂体着手就事论事。因为单砂体是沉积体系甚至是盆地的一部分。

5）确定实验方案。即在物理模型的基础上，进一步细化实验过程，把影响碎屑沉积的主要条件落实到实验过程的每一步，特别应注意实验过程的连续性和可操作性。因为实验开始后一旦受到某些因素的影响而被迫中断，再重新开始时，该沉积过程是不连续的（除非在形成原型的过程中确实存在这种中断），流场的分布将受到较大影响，因此，实验开始前的充分准备是十分必要的。

6）适时对碎屑搬运沉积过程进行监控。因为沉积模拟研究是对地质历史中沉积作用的重现，是对过程沉积学进行的研究。所以沉积过程的详细记录和精细描述是必需的，只有这样才能深入研究过程与结果的对应性。

7）过程与结果的对应研究。实验完成后对沉积结果的研究一般可采用切剖面的方法，对碎屑沉积体任一方向切片建立三维数据库，并与沉积过程相对应，比较原型与模型的相似程度，从而对原型沉积时的未知砂体进行预测。目前已经做到的对比项目有相分布特征、厚度变化、粒度变化、夹层隔层的连通性及连续性、渗流单元的分布等。

2.物理模拟的实验方法

1）确定模拟区的规模及层位。在对模拟原型进行研究的基础上，根据要求确定模拟的地质层位。若模拟区块较大或模拟层段较厚，一般要进一步细分，才能保证模拟的精度。

2）确定模型的比尺。一般来说应保持x、y、z三个方向为同一比尺，即物理模型为正态模型，这样可保证模拟结果的精度较高；若为变态模型，变率一般应小于5。

3）确定实验装置的有效使用范围。当原型与模型的比尺确定后，实验装置上有效使用范围便随之确定。

4）确定原始底形。按实际资料，将模拟层位以下地层的底形按比例缩至实验装置内。

5）确定加砂组成。按模拟层位的粒度分析资料并加以确定。

6）确定洪水、平水、枯水的流量。一般根据模拟原型沉积时的气候特点，结合现代沉积调查及水文记录，概化出流量过程线，按流量过程施放水流。

7）湖水位控制。根据原型研究，按比例选择合适的初始沉积时的湖水深度，另外，应确定每一阶段的沉积过程是否在高位体系域、低位体系域或是水进水退体系域内进行，最好明确一种体系域变化为另一种体系域的时间长短，即变化速率，因为这关系到实验过程中湖水位的调节。

8）确定加砂量。一般洪水、平水、枯水的加砂量明显不同，加砂量的确定应与流量过程匹配，并考虑水流能够搬运为原则，同时应明确实验过程为饱和输砂还是非饱和输砂。

9）含砂量控制。此参数是储集砂体地质研究中不能获得的参数，一般采用现代沉积调查的结果进行类比，按洪水期、平水期、枯水期分别设计，也可以设计为一个区间，按流量调节。

10）河道类型。国外物理模拟研究在实验开始前，一般在原始底形上塑造模型小河，以使水流首先有一流道。该模型小河对以后的沉积作用不产生太大的影响。随着实验的进行、水流会自动调整。但一般若原型资料较好，在缩制原始底形时，已存在水流的通道不需要设置模型小河。

11）确定河岸组成。在需要设置模型小河时，应考虑河岸的组成，因为这关系到河岸的抗冲性以及河道的迁移和决口。一般应考虑原型的特征来设计。

12）活动底板控制。活动底板运动是地壳运动在实验室内的表现，它从宏观上控制了沉积作用的特征和样式。首先应明确原形沉积时构造运动的类型与性质、构造运动的强度与时期，这涉及活动底板运动的幅度和速率是否造成断层及断距的大小等。

13）过程监控。由于沉积模拟研究是对砂体的形成过程进行研究，所以实验全过程的监控是分析对比过程与结果必不可少的，国内外一般采用与时间同步的电动照相机和对实验过程全程录像的方法，辅以详细的观察描述来对实验过程进行跟踪监控。

14）过程细化。将实验过程细化为若干个沉积期，每一个沉积期对应一个单砂体或一个砂层组，每一期沉积过程结束后，详细测量各种参数、边界形态等。

15）剖面研究。实验完成后，对沉积砂体进行纵、横剖面的切片研究，并与过程相对应，最终与原型砂体进行对比，检验实验结果的准确性。

16）整理各类资料、数据，为数值模拟研究提供必要的信息。

3.物理模拟的标准

碎屑沉积过程物理模拟成功与否的判别标准就是实验模型与原型相似程度的高低。在油气勘探阶段，可以与地震剖面和测井曲线所反映出来的砂体类型和砂岩厚度进行对比。在油气开发阶段，可以与测井曲线和开发动态相比较。目前各类静态参数（粒度、厚度、连续性、连通性、砂体延伸方向和规模、沉积相类型等）的符合率一般为70%，动态方面的对比尚没有深入研究。

4.物理模拟的局限性

（1）尺度的限制

任何物理模拟实验装置由于受到场地及装置大小的限制，不可能无限制地扩大规模。如果原型的几何规模比较大，要想在室内实现模拟，就只有缩小比例，而任何比尺的过度缩小，都将造成实验结果的失真和变形，导致原型与模型之间相似程度的降低。根据目前实验水平，一般x、y方向的比例尺控制在1∶1000之内较合适。z方向的比尺控制在1∶200之内比较理想。实际工作中，一般使x、y、z方向比尺保持一致，即选用正态模型准确性较高。某些情况下，根据原型的形态特点，x、y、z方向的比尺允许不一致，即选用变态模型，但二者相差不宜太大，否则容易造成实验结果的扭曲。

（2）水动力条件及气候条件的限制

自然界碎屑沉积体系形成过程中，水动力条件非常复杂，有些条件在实验室内难以实现，如潮汐作用、沿岸流、水温分层、盐度分异以及沉积过程中突然的雨雪气候变化等影响因素，这些都在一定程度上影响了实验过程的准确性。

（3）模型理论的限制

在物理模拟相似理论中，诸多相似条件有时并不能同时得到满足，而某个条件的不满足就可能导致实验结果在一定程度上失真。例如，要使模型水流与原型水流完全相同，必须同时满足重力相似与阻力相似，但二者是一对矛盾；又如悬浮颗粒的运动，现有模型中关于沉降速度的相似条件有沉降相似和悬浮相似，很显然，二者也不可能同时满足。因此实验方案设计中，提取起主要作用的因素显得十分重要。

尽管碎屑沉积体系的物理模拟存在上述许多局限，但它在促进实验沉积学的发展、研究碎屑体系形成过程及演变规律、预测油气储集砂体的分布方面愈来愈显示出它独特的优势。

C. 如图所示是某小组探究“摩擦力的大小与哪些因素有关”的实验装置图：（1）实验中改变摩擦力的方法是_____

（1）甲乙两图实验中木块和木板接触面的粗糙程度相同，乙图中木块的上方增加了一个砝码压力增大了；
甲丙两图实验中木块对接触面的压力不变，丙图中木板的表面粗糙，所以改变的是接触面的粗糙程度；
（2）用弹簧测力计匀速拉动木块时，木块做匀速直线运动受到的力是平衡力，根据二力平衡的知识，此时摩擦力的大小等于弹簧测力计对木块拉力的大小；
（3）比较甲、乙两图发现：接触面的粗糙程度相同，而压力大小不同，由此可知研究的是摩擦力与压力大小的关系．故结论为：在接触面的粗糙程度一定时，压力越大，摩擦力越大；
（4）乙丙两图压力大小和接触面的粗糙程度都不同，所以无法探究影响摩擦力大小的因素，故不能得出正确的结论；
（5）通过分析可知，拉力对木块做的功，全部转化为热，把测桌面与木块间由于摩擦而产生的热量转化为测拉力对木块做的功，因为拉力对木块做的功W=FS，所以，可用弹簧秤测出拉力，用刻度尺测出距离，然后求出功．
故答案为：
（1）改变压力或接触面粗造程度；
（2）匀速直线；拉力等于摩擦力大小；
（3）接触面粗造程度相同时，压力越大，摩擦力越大；
（4）不能；
（5）B．

D. 如图是探究电流通过导体时产生热量的多少与什么因素有关

如图所示是小华探究“电流通过导体时产生热量的多少跟什么因素有关”的实物图，A、B烧瓶内各装有等量的煤油．
（1）A、B烧瓶内的电热丝是由横线截面积相同的同种材料绕成的．观察实物图，可以判断出烧瓶内的电热丝阻值较大（选填“A”或“B”）；小华设计该实验是想探究电流通过导体时产生热量的多少跟的关系．
（2）本实验是通过观察来比较电流通过电热丝产生的热量多少；实验中选用煤油而不是选用水进行加热，主要是因为煤油的较小，可以节省加热时间．
（3）小华想改装此实验装置用来“测量煤油的比热容大小”．他将两烧瓶的电热丝换成一样的，在两烧瓶李分别装入 质量相等的水和煤油．测量时，水和煤油的初温均为t0，通电一段时间后，水和煤油的末温分别为t水和t煤油，请写出煤油比热容的表达式：C煤油（已知水的比热容为C水）．
初中物理70.2%的同学易出错焦耳定律2014厦门市期末

解答
解：（1）①A、B烧瓶内的电热丝是由横线截面积相同的同种材料绕成的．观察实物图，可知A烧瓶内电阻丝产长，所以A烧瓶内电阻大．
②电流产生的热量跟电流大小、电阻大小、通电时间有关．图中电阻串联在电路中，电流和通电时间都相同，电阻不同，所以实验探究电流产生热量多少跟电阻的关系．
（2）①电流产生的热量不能用眼睛直接观察，通过温度计示数的变化量来判断电流产生热量的多少．
②质量相同的水和煤油，煤油的比热小，温度变化相同时，根据Q=cm△t知，比热越小，吸收热量越少，时间越短．
（3）两烧瓶的电热丝换成一样的，电阻相同，电热丝串联在电路中，电流和通电时间都相同，电流产生的热量相同，所以质量相同、初温相同的水和煤油吸收的热量相同，
Q水=c水m△t水=c水m（t水-t0），
Q煤油=c煤油m△t煤油=c煤油m（t煤油-t0），
∵Q水=Q煤油，
∴c水m（t水-t0）=c煤油m（t煤油-t0），
∴c煤油=
t
水
−
t
0
t
煤
油
−
t
0
c
水
．
故答案为：（1）A；电阻；（2）温度计的示数变化；比热；（3）
t
水
−
t
0
t
煤
油
−
t
0
c
水
．

解析
（1）①导体的电阻跟导体的长度、横截面积、材料有关，根据电阻的影响因素进行判断．
②电流产生的热量跟电流大小、电阻大小、通电时间有关．探究电流产生热量跟其中一个影响因素关系时，控制其它因素不变．
（2）①电流产生的热量不能用眼睛直接观察，通过温度计示数的变化量来判断电流产生热量的多少．
②根据Q=cm△t，质量相同的水和煤油，煤油的比热小，温度变化相同时，比热越小，吸收热量越少，时间越短．
（3）根据Q=cm△t，求出水和煤油吸收的热量，水吸收的热量和煤油吸收的热量相等列出等式，求出煤油的比热．

E. （2013香坊区二模）如图所示，为探究“影响滑动摩擦力大小因素”的实验装置．（1）实验中从弹簧测力计上

（1）实验中从弹簧测力计上的读数便可知道滑动摩擦力的大小，这是运用了物理学的二力平衡原理，这要求用测力计拉动木块做匀速直线运动．
（2）根据生活经验和已有知识，可以猜想滑动摩擦力大小与接触面的粗糙程度有关．
（3）根据控制变量法的要求，探究摩擦力与压力大小关系时，应控制接触面的面积与粗糙程度相同而压力不同，探究摩擦力与面积的关系时，应控制压力与接触面的粗糙程度相同而接触面面积不同，探究摩擦力与接触面粗糙程度的关系时，应控制压力与接触面面积相同而接触面粗糙程度不同；据此设计实验数据记录表格，如下表所示．

F. 在探究影响摩擦力大小的因素实验中,要用弹簧测力计

（1）实验中，需用测力计沿水平方向拉动木块做匀速直线运动，这时滑动摩擦力的大小等于弹簧测力计拉力的大小．
（2）甲、乙两图，接触面的粗糙程度相同，压力不同，且压力越大，摩擦力越大，说明：在接触面粗糙程度一定时，压力越大，滑动摩擦力越大；
（3）乙、图丙中铜块和木块叠放在一起，对木板的压力都等于二者的总重，压力相同；
由图中，丙图摩擦力更大，说明木块的表面更粗糙．
故答案为：（1）匀速直线；（2）在接触面粗糙程度一定时，压力越大，滑动摩擦力越大；（3）压力；木块．